Что такое p-n переход, для чего он нужен и как работает

Проводимость кристаллической решетки с примесями

Свободных электронов в чистом полупроводнике мало, и это объясняет низкую проводимость материала.

Однако, при повышении температуры электроны на валентном уровне получают большую энергию, и могут быстрее покидать свои орбиты. Поэтому материал становится более проводимым при повышении температуры.

Донорская примесь и n-тип

Если добавить в кристаллическую решетку кремния атом, у которого 5 валентных электронов, то из-за него в кристалле появятся свободные электроны.

Например, есть атом мышьяка (As) и атомы кремния (Si).
4 валентных электрона мышьяка образуют валентную связь с другими атомами кремния. А вот один электрон будет находится в зоне проводимости. То есть, он станет свободным электроном.

А вот атом мышьяка, который непреднамеренно отдал свой электрон, станет положительным ионом. И несмотря на это, кристаллическая решетка остается стабильной.

Примеси добавляют при помощи легирования. Оно может быть, как металлургическим (повышением температуры, изготовление сплавов), так химическим (ионное и диффузное).

Если подать ток по такому материалу, то свободные электроны из примеси притягиваются положительным потенциалом. А с отрицательного потенциала приходят «новые» электроны, взамен старым, которые ушли к положительному потенциалу.

Акцепторная примесь и p-тип

А что будет, если в полупроводник добавить атом с тремя валентными электронам, например бор (B)?
Тогда три валентных электрона атома бора создадут связь с другими атомами кремния. Однако теперь в кристалле с такой примесью будет не хватать одного электрона.

Это отсутствие электрона называется дыркой. По сути, это положительный потенциал, но для простоты понимания его принято называть дыркой.

Это не ион и не элементарная частица. Это дефицит электрона у атомов. И тот атом, у которого будет не хватать электрона на своей орбите, будет притягивать к себе и свободные электроны, которые оказались в кристалле, и электроны от соседних атомов.

Такая примесь в кристалле также повышает его проводимость. И эта примесь называется акцепторной. То есть, примесные атомы создают дефицит электронов в кристаллической решетке.

Поэтому, такой полупроводник с акцепторной примесью называются p-типом. Его основные носители заряда – дырки. А неосновные – электроны.

Если пустить ток по такому материалу, то к отрицательному потенциалу будет притягиваться дырка к новому поступающему электрону из источника тока. А вот к положительному потенциалу будут уходить электроны, которые находились в кристалле.

Ток неосновных зарядов

Как уже было сказано выше, у p-типа основные носители заряда — это дырки, а у n-типа — это электроны. Неосновные носители соответственно, наоборот. И неосновные носители зарядов тоже участвуют при прохождении тока.

Конечно, неосновных носителей зарядов намного меньше, чем основных, но не стоит их полностью игнорировать, особенно когда речь идет о p-n переходе.

Маркировка диодов

Маркировка на диодах

Каждый полупроводниковый диодный элемент обладает определенной маркировкой. Она может отличаться в зависимости от характеристик изделия, его вида, мощности и прочих параметров.

Маркировка, которая нанесена на такого рода компоненты электрических схем, является аббревиатурой и отражает параметры устройства. К примеру, маркировка КД196В расшифровывается следующим образом:

кремниевый диод, имеющий напряжение пробоя до 0,3 В;
напряжение 9,6 (цифра 96);
модель третьей разработки.

Чтобы приобрести необходимый полупроводник, нужно внимательно изучить маркировку и знать, как она расшифровывается.

Маркировка приборов

Первая составляющая маркировки может быть представлена в виде цифры для приборов специального назначения или в виде буквы для приборов широкого применения.

Если в обозначении материала используется:

Г или 1, то это германий и соединения германия;
К или 2, это кремний и соединения кремния;
А или 3 – арсенид галлия;
И или 4 – фосфид индия.

Для обозначения второй цифры в маркировке используют:

Д – в выпрямительных, импульсных;
Ц – в выпрямительных столбах и мостах;
В – в обозначениях варикапов;
И – в туннельных;
А – в СВЧ;
С – в стабилитронах и стабисторах;
Г– в генераторах шума;
Л – в излучающих светодиодах.

Третий элемент характеризует основные признаки устройства, зависит от его подкласса. Например, 2Д204В – это диод кремниевый выпрямительный с постоянной и средней токовой величиной 0,3-10 А, номером разработки 04, группой В.

Начнем с азов

Диод представляет собой полупроводниковое двухвыводное радиоэлектронное устройство, которое обладает вольт амперной характеристикой или ВАХ. Благодаря ВАХ электрический ток по изделию может течь только по одному направлению. Это направление определяется в ситуации, когда при прямом смещении сопротивление будет практически равно нулю. При другом направлении нелинейная ВАХ, как особая характеристика изделия, не позволяет току протекать, поскольку в этом случае сопротивление будет велико.

Устройство изделия

На ВАХ основано исследование данных типов компонентов. Реферат о свойствах диодных полупроводников можно написать про ВАХ, различные виды изделий, а также о том, какой их общий принцип работы. При этом реферат будет содержать в каждом случае разную информацию, так как здесь сложно изложить суть в кратком объеме. После того, как мы разобрались, что собой представляет диод, можно выяснить основные моменты его полупроводникового вида. Полупроводниковый диод (диодный вентиль) представляет собой изделие, изготовленное из полупроводниковых материалов (зачастую кремния). Поскольку у него есть вольт амперная характеристика, то ток здесь может течь только в одном направлении.

Главным компонентом такого электрического элемента является кристаллическая часть, в которой есть p-n переход. Переход подключен к двум электрическими контактами. Сама вакуумная трубка имеет два электрода: нагретый катод и пластину (анод). Такая структура, а также принцип работы, позволяет применять их для:

улучшения различных электронных схем;
преобразования постоянного и переменного тока;
усовершенствования различных устройств.

Реферат может более полно описать каждый способ применения.

https://youtube.com/watch?v=xtAnWFut8EY

https://youtube.com/watch?v=Wx5gthJQQK8

https://youtube.com/watch?v=NqCaJhS0HGU

Виды диодов

Стабилитроны

Стабилитроны представляют из себя те же самые диоды. Даже из названия понятно, чтоб стабилитроны что-то стабилизируют. А стабилизируют они напряжение. Но чтобы стабилитрон выполнял стабилизацию, требуется одно условие. Они должны подключатся противоположно, чем диоды. Анод на минус, а катод на плюс. Странно не правда ли? Но почему так? Давайте разберемся. В Вольт амперной характеристике (ВАХ) диода используется положительная ветвь – прямое направление, а вот в стабилитроне другая часть ветки ВАХ – обратное направление.

Снизу на графике мы видим стабилитрон на 5 Вольт. Сколько бы у нас не изменялась сила тока, мы все равно будем получать 5 Вольт ;-). Круто, не правда ли? Но есть и подводные камни. Сила тока не должны быть больше, чем в описании на диод, иначе он выйдет из строя от высокой температуры – Закон Джоуля-Ленца. Главный параметр стабилитрона – это напряжение стабилизации (Uст). Измеряется в Вольтах. На графике вы видите стабилитрон с напряжением стабилизации 5 Вольт. Также есть диапазон силы тока, при котором будет работать стабилитрон – это минимальный и максимальный ток (Imin, Imax). Измеряется в Амперах.

Выглядят стабилитроны точно также, как и обычные диоды:

На схемах обозначаются вот так:

Светодиоды

Светодиоды – особый класс диодов, которые излучают видимый и невидимый свет. Невидимый свет – это свет в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Но для промышленности все таки большую роль играют светодиоды с видимым светом. Они используются для индикации, оформления вывесок, светящихся баннеров, зданий а также для освещения. Светодиоды имеют такие же параметры, как и любые другие диоды, но обычно их максимальный ток значительно ниже.

Предельное обратное напряжение (Uобр) может достигать 10 Вольт. Максимальный ток (Imax) будет ограничиваться для простых светодиодов порядка 50 мА. Для осветительных больше. Поэтому при подключении обычного диода нужно вместе с ним последовательно подключать резистор. Резистор можно рассчитать по нехитрой формуле, но в идеале лучше использовать переменный резистор, подобрать нужное свечение, замерять номинал переменного резистора и поставить туда постоянный резистор с таким же номиналом.

Лампы освещения из светодиодов потребляют копейки электроэнергии и стоят дешево.

Очень большим спросом пользуются светодиодные ленты, состоящие из множества SMD светодиодов. Смотрятся очень красиво.

На схемах светодиоды обозначаются так:

Не забываем, что светодиоды делятся на индикаторные и осветительные. Индикаторные светодиоды обладают слабым свечением и используются для индикации каких-либо процессов, происходящих в электронной цепи. Для них характерно слабое свечение и малый ток потребления

Ну и осветительные светодиоды – это те, которые используются в ваших китайских фонариках, а также в LED-лампах

Светодиод – это токовый прибор, то есть для его нормальной работы требуется номинальный ток, а не напряжение. При номинальном токе на светодиоде падает некоторое напряжение, которое зависит от типа светодиода (номинальной мощности, цвета, температуры). Ниже табличка, показывающая какое падение напряжения бывает на светодиодах разных цветов свечения при номинальном токе:

Как проверить светодиод можно узнать из этой статьи.

Тиристоры

Тиристоры представляют собой диоды, проводимость которых управляется с помощью третьего вывода – управляющего электрода (УЭ). Основное применение тиристоров – это управление мощной нагрузкой с помощью слабого сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Выглядят тиристоры примерно как диоды или транзисторы. У тиристоров параметров столько, что не хватит статьи для их описания. Главный параметр – Iос,ср. – среднее значение тока, которое должно протекать через тиристор в прямом направлении без вреда для его здоровья. Немаловажным параметром является напряжение открытия тиристор – (Uу), которое подается на управляющий электрод и при котором тиристор полностью открывается.

а вот так примерно выглядят силовые тиристоры, то есть тиристоры, которые работают с большой силой тока:

На схемах триодные тиристоры выглядят вот таким образом:

Существуют также разновидности тиристоров – динисторы и симисторы. У динисторов нет управляющего электрода и он выглядит, как обычный диод. Динисторы начинают пропускать через себя электрический ток в прямом включении, когда напряжение на нем превысит какое-то значение. Симисторы – это те же самые триодные тиристоры, но при включении пропускают через себя электрический ток в двух направлениях, поэтому они используются в цепях с переменным током.

Старая система обозначений

В соответствии с системой обозначений, разработанной до 1964 г., сокращенное обозначение диодов состояло из двух или трех элементов.

Первый элемент буквенный, Д — диод.

Второй элемент — номер, соответствующий типу диода: 1…100 — точечные германиевые, 101…200— точечные кремниевые, 201…300 — плоскостные кремниевые, 801…900 — стабилитроны, 901…950 — варикапы, 1001…1100 — выпрямительные столбы. Третий элемент — буква, указывающая разновидность прибора. Этот элемент может отсутствовать, если разновидностей диода нет.

В настоящее время существует система обозначений, соответствующая ГОСТ 10862-72. В новой, как и в старой системе, принято следующее разделение на группы по предельной (граничной) частоте усиления (передачи тока ) на:

низкочастотные НЧ (до 3 МГц),
средней частоты СЧ (от 3 до 30 МГц),
высокочастотные ВЧ (свыше 30 МГц),
сверхвысокочастотные СВЧ;

По рассеиваемой мощности:

маломощные (до 0,3 Вт),
средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт),
большой (свыше 1,5 Вт) мощности.

Принцип работы

Понять принцип действия полупроводникового диода несложно. Все, что для этого понадобится — разбираться в базовых законах физики и знать, как происходят некоторые электрические процессы.

Изначально электроток действует на катод, что вызывает накаливание подогревательного элемента. В свою очередь, электродом испускаются электроны, а между двумя частями появляется электрическое поле.

В двух электродах начинается формирование пространственно-отрицательного заряда, который может препятствовать протеканию электронов. Однако случается это лишь при снижении потенциала анода, в результате чего масса электронов не способна справиться с отрицательными элементами, что заставляет их перемещаться в обратном порядке, то есть электроны снова возвращаются к катоду.

Нередко показатели катодного тока держатся нулевой отметки — происходит это при воздействии частиц с зарядом минус. В результате образованное поле не заставляет электроны двигаться быстрее, а вызывает обратную реакцию — притормаживает их и заставляет вернуться обратно к катоду. В конечном итоге цепь размыкается, так как диод остается в запертом состоянии.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
По графику можно наблюдать, что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.

На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр).
По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр).

Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.

Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр).

При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В.

Например. При прямом напряжении Uпр = 0,5В прямой ток Iпр равен 50mA (точка «а» на графике), а уже при напряжении Uпр = 1В ток возрастает до 150mA (точка «б» на графике).

Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника. И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток p-n перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.

У полупроводниковых диодов величина прямого напряжения Uпр при всех значениях рабочих токов не превышает:
для германиевых — 1В;
для кремниевых — 1,5В.

При увеличении обратного напряжения (Uобр), приложенного к p-n переходу, ток увеличивается незначительно, о чем говорит обратная ветвь вольтамперной характеристики.
Например. Возьмем диод с параметрами: Uобр max = 100В, Iобр max = 0,5 mA, где:

Uобр max – максимальное постоянное обратное напряжение, В;Iобр max – максимальный обратный ток, мкА.

При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в» на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан p-n переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает пробой p-n перехода.

Фотодиоды

Фотодиод — это полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на внутреннем фотоэффекте, состоящем в генерации под действием света электронно-дырочных пар в рп-переходе, в результате чего увеличивается концентрация основных и неосновных носителей заряда в его объеме. Обратный ток фотодиода определяется концентрацией неосновных носителей и, следовательно, интенсивностью облучения. Вольт-амперные характеристики фотодиода (рисунок 1.2.7.1 (см. стр.28)) показывает, что каждому значению светового потока Ф соответствует определенное значение обратного тока. Такой режим работы прибора называют фотодиодным.

Фотодиоды применяются в качестве датчиков освещенности.

U,пр,В	0,01	0,2
Iпр,мА	1	4,5

Лабораторная работа

Тема: Односторонняя проводимость полупроводникового диода

Цель опыт: продемонстрировать принципиальное различие характеристик р-п перехода в зависимости от полярности приложенного к нему напряжения.

Оборудование: лампа 12В 21Вт -источник постоянного тока, диод — модуль с клеммами для -цифровой амперметр подключения источника питания,ключ

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним р-n переходом и двумя выводами. Металлические выводы привариваются или припаиваются к противоположным областям р-n перехода ,а вся система заключается в металлический ,металлокерамический ,стеклянный или пластмассовый корпус.

Если положительный полюс источника питания подключается к p- области ,а отрицательный к n – области ,то включение перехода называют прямым. При изменении указанной полярности включение p –n .Перехода называется обратным .По аналогии с Электровакууными диодами ту сторону полупроводникового диода, к которой при прямом включении присоединяется отрицательный полюс источника питания, называют катодом, а другую – анодом.

Для демонстрации особенностей протекания электрического тока через p-n переход , или ,что одно и тоже ,через полупроводниковый диод ,соберите электрическую цепь, представленную на рис 1, Диод включается в цепь в прямом направлении .Обратите на это внимание учащихся и напомните им ,как по условному обозначению полупроводникового диода определить ,где у него анод ,а где катод. Установите выходное напряжение источника питания равным 10 В и замкните ключ

Лампа при этом начнет светится ,а амперметр покажет наличие тока в цепи. Попросите учащихся на какой из электродов диода подается положительный потенциал ,а на какой –отрицательный ,и в каком направлении протекает ток в цепи. Сделайте вывод о проводимости диода при данном подключении к источнику и объясните результат опыта на основе механизма протекания тока через p-n переход

Установите выходное напряжение источника питания равным 10 В и замкните ключ. Лампа при этом начнет светится ,а амперметр покажет наличие тока в цепи. Попросите учащихся на какой из электродов диода подается положительный потенциал ,а на какой –отрицательный ,и в каком направлении протекает ток в цепи. Сделайте вывод о проводимости диода при данном подключении к источнику и объясните результат опыта на основе механизма протекания тока через p-n переход.

Измените полярность включения диода на противоположную .Замкните ключ и продемонстрируйте, что лампа в этом случае не горит ,а амперметр показывает отсутствие тока в цепи. В место цифрового амперметра включите в цепь миллиамперметр .При этом чувствительность прибора , измеряющего ток в цепи ,увеличится в 100 раз, однако результат опыта останется прежним- ток в цепи нет. Объясните отсутствие тока в цепи на оcнове свойств p-n перехода. Сделайте общий вывод о том ,как влияет полярность подключения диода на его способность проводить электрический ток.

В заключение хочется сказать:

Свойства диода изучено.
Применение диода изучено.
Поставленная цель выполнена.

Литература

Виноградов Ю.В. «Основы электронной и полупроводниковой техники». Изд. 2-е, доп. М., «Энергия», 1972 г.
Журнал «Радио», номер 12, 1978 г.
Терещук Р.М. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя / 4-е издание, стер. — Киев: Наук. Думка 1989.
Бочаров Л.Н. Полевые транзисторы. — М.: Радио и связь, 1984.
Полупроводниковые приборы: транзисторы: Справочник / Н.Н.Горюнова. М.; Энергоатомиздат, 1985.
Справочник «Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы»; М.: Энергоатомиздат, 1987г.

Что такое p-n переход